Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы диагностирования штанговых глубинных насосных установок. уточнение решаемых в работе задач, выбор методов исследования 12
1.1. Общие сведения о штанговых глубинных насосных установках 12
1.2. Методы диагностирования ШГНУ 19
1.2.1. Диагностирование по динамограмме 19
1.2.2. Диагностирование по признакам кривой мощности 23
1.2.3. Диагностирование по фазовой кривой 29
1.3. Выводы по разделу 32
1.4. Постановка задачи исследования 33
Глава 2. Исследование этапов диагностирования шгну по характеристикам на фазовой плоскости 35
2.1.Общие соображения 35
2.2.Исследование операции сглаживания исходных характеристик 42
2.3 .Исследование операции дифференцирования 53
2.4. Определение уравновешенности станка-качалки 57
2.5. Разработка решающих правил и результаты проверки их работоспособности 59
2.5.1.Выбор диагностических признаков 59
2.5.2.Впияние методов сглаживания и дифференцирования на работоспособность диагностических признаков 68
2.5.3.Определение периода качания СК и необходимость проведения этой процедуры 69
2.6. Выводы 72
Глава 3. Использование динамограмм при диагностировании ШГНУ по ваттметрограммам и фазовым кривым 74
3.1. Функциональная связь ватгметрограмм с динамограммами 74
3.2. Определение начала хода плунжера вверх 82
3.3. Определение связи между ДМГ и ФК и выявление характерных признаков различных видов неисправностей 84
3.4. Выводы 97
Глава 4. Программно-аппаратный комплекс для диагностирования штанговых глубинных насосных установок 99
4.1 .Основные особенности программно-аппаратного комплекса для диагностирования ШГНУ по характеристикам на фазовой плоскости 99
4.2.Программы диагностики ШГНУ 102
4.3 .Пример выдачи программы диагностирования 116
4.4. Разработка прибора для «экстренного» диагностирования 121
4.5.Выводы 123
Заключение 124
Литература 127
Приложение
- Диагностирование по признакам кривой мощности
- Разработка решающих правил и результаты проверки их работоспособности
- Определение связи между ДМГ и ФК и выявление характерных признаков различных видов неисправностей
- Разработка прибора для «экстренного» диагностирования
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В последнее время в нашей стране наблюдается некоторое снижение уровня добычи нефти. Например, за последние два года добыча нефти по России в целом сократилась на 46.8 млн. т. или на 11.7 %. Эксплуатационный фонд скважин не увеличился, несмотря на ввод более 75 тыс. новых скважин. Неработающий фонд скважин за год увеличился на 1.4 тыс. скважин.
В настоящее время штанговыми глубинными насосными установками (ШГНУ) оборудовано более 2/3 эксплуатационного фонда скважин и их число постоянно увеличивается. Такой способ добычи еще длительное время остается самым распространенным. Однако, низкая надежность, малые межремонтные периоды работы ШГНУ ухудшают их технико-экономические показатели /1, 2, 3, 4/. Поэтому, в связи с необходимостью обеспечения высокой надежности нефтепромысловых систем и уменьшения объема ремонтных работ, а также с целью увеличения межремонтного периода и создания наиболее благоприятных условий для организации и управления процессом нефтедобычи, представляют интерес вопросы повсеместного внедрения современных методов и средств технического контроля и диагностирования ШГНУ /4, 5/.
Наиболее распространенным методом диагностирования состояния ШГНУ является динамометрирование /11, 13, 15, 26, 58/ - процесс снятия зависимости P(S) -усилия на полированном штоке станка-качалки (СК) от перемещения точки подвеса штанг. Форма полученных кривых (динамограмм) позволяет установить наличие неисправностей в различных частях ШГНУ. Недостатком этого метода является низкая надежность, связанная с частым выходом из строя первичных преобразователей усилия и перемещения в электрический сигнал. Кроме того, характеристики используемых в настоящее время индуктивных датчиков усилия и перемещения подвержены влиянию многочисленных факторов: условий окружающей среды, нестабильности питания, изменения исходного положения сердечника, датчика и т.п. Это приводит к тому, что масштабные коэффициенты и положение нулевой линии динамограммы оказываются неизвестными и определение количественных показателей работы нефтяных скважин по динамограммам невозможно.
Более надежным методом диагностирования ШГНУ является ваттметрирование - процесс получения ваттметрограммы (ВМГ), т.е. зависимости P(f) мощности, потребляемой электродвигателем СК, от угла поворота кривошипа. При этом отпадает необходимость в использовании преобразователей механических величин в электрический сигнал, т.к. используется датчик мощности переменного тока. Кроме того, ВМГ несут информацию не только о подземной, но и о наземной части ШГНУ. Они позволяют определить работу клапанов, КПД наземного и глубинного плунжера, фонтанные проявления в скважине 151, Значительный вклад в исследование ватгметрирования, как метода диагностирования ШГНУ, внес В.О.Кричке/12, 14, 16, 17, 28-31/
В течение ряда лет на кафедре АиКС ТПУ также проводились исследования, посвященные диагностированию состояния работы ШГНУ с использованием ваттметрограмм, был разработан прибор и на его основе создан программно-аппаратный комплекс диагностирования, защищена кандидатская диссертация и получены авторские свидетельства /18, 19, 21/. Но практика показала незаконченность проведения этих исследований и неточности в их реализации.
К сожалению, очень мало внимания уделено методу диагностирования ШГНУ, основанному на анализе характеристик, представленных на фазовой плоскости (ФП) -фазовых кривых (ФК), представляющих собой замкнутые кривые, построенные в осях «мощность/скорость изменения мощности», впервые описанных в /6/. Проведенные по этому направлению исследования 161 позволяют сделать вывод о его перспективности. Современное состояние автоматизации технологических процессов объектов нефтедобычи характеризуется все увеличивающимися объемами использования микропроцессорной техники и ПЭВМ. В связи с этим, создаются предпосылки для создания и повсеместного внедрения программно-аппаратных комплексов (ПАК) по диагностике ШГНУ (ПАК «экстренного» диагностирования с выделением состояния ШГНУ по классам «норма/авария»; ПАК «детального» диагностирования с выделением вида неисправности ШГНУ), в частности по характеристикам на фазовой плоскости, при этом, открываются широкие перспективы для решения ряда задач. Большую практическую ценность может иметь также и прибор, позволяющий на рабочем месте проводить «экстренное» диагностирование состояния ШГНУ.
Указанные обстоятельства делают актуальной проблему дальнейшего развития и изучения метода диагностирования ШГНУ по характеристикам на фазовой плоскости и создания на его основе программно-аппаратного комплекса диагностики.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование нового метода автоматизированной диагностики ШГНУ по характеристикам на фазовой плоскости, выявление наиболее достоверных диагностических признаков данного метода и создание на этой основе двух вариантов программно-аппаратного комплекса диагностики ШГНУ.
Провести анализ существующих диагностических систем, с целью определения недостаточно проработанных вопросов, изучение которых позволит разработать перспективные диагностические комплексы;
Провести исследование по выявлению диагностических признаков для фазовой кривой;
Рассмотреть влияние уравновешенности СК на результаты диагностики;
Исследовать возможность определения периода качания СК по фазовой кривой;
Получить решающие правила для проведения «экстренной» автоматизированной диагностики состояния ШГНУ по классам норма/авария и провести проверку их достоверности и работоспособности;
Исследовать возможность пересчета динамограммы в ваттметрограмму и фазовую кривую с целью получения диагностических характеристик, достаточных для проведения «детальной» диагностики вида неисправности и дальнейшего создания архива характеристик с известным видом аварии;
На основе решающих правил создать программно-аппаратный комплекс диагностики ШГНУ по характеристикам на фазовой плоскости и провести обработку ваттметрограмм, снятых с реальных объектов;
Рассмотреть основные этапы проведения диагностики состояния ШГНУ применительно к созданию переносного прибора «экстренного» диагностирования.
Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач используются методы теории машин и механизмов, первичной обработки информации с помощью ЭВМ: численного дифференцирования, сглаживания
8 временных последовательностей данных, гармонического анализа, математического моделирования объекта. Экспериментальные исследования проводились с помощью вычислительного эксперимента.
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:
разработан новый метод проведения диагностики ШГНУ по характеристикам на фазовой плоскости, основанный на рассмотрении каждой четверти фазовой плоскости в отдельности при известной уравновешенности установки (защищенный патентом РФ: Способ диагностики штанговых насосных установок. Решение от 10.06.97 г. о выдаче патента РФ по заявке 95106555/09);
получены новые решающие правила для проведения «экстренной» диагностики состояния ШГНУ по классам норма/авария при анализе характеристик на фазовой плоскости;
разработаны методики определения уравновешенности и периода качания станка-качалки по характеристикам на фазовой плоскости;
построена аналитическая модель, позволяющая из динамограммы получить ваттметрограмму независимо от кинематических параметров станка-качалки. Практическая ценность работы состоит в том, что: разработаны методики
определения периода одного качания, начала хода плунжера вверх и уравновешенности СК при помощи фазовой кривой, позволяющие полностью избавиться от ненадежных датчиков положения и усилия. Разработана методика пересчета динамограммы в ваттметрограмму и фазовую кривую, позволяющая создать архив из достаточного количества характеристик с известным видом аварии, что реально создает предпосылки для выявления решающих правил для проведения диагностики состояния ШГНУ. Разработан комплекс программ, алгоритмов и математических оценок, которые применены в диагностических комплексах ПУ «СургутАСУнефть», использующих как динамограммы так и ваттметрограммы, а так же в качестве дополнительного программного обеспечения, встроенного в разрабатываемый прибор съема ваттметрограммы. Разработано программное обеспечение для ПЭВМ типа IBM PC на основе предложенных алгоритмов, использующееся совместно с программно-аппаратным комплексом диагностирования ШГНУ. Разработаны методы проведения автоматизированной диагностики состояния ШГНУ, которые позволили повысить достоверность диагностирования по сравнению
9 с предыдущими аналогичными разработками в среднем на 12%, что реально привело к более качественной работе установки, к уменьшению количества аварийных выходов из строя, а так же к сокращению межремонтных простоев насосов. Предложен вариант прибора «экстренного» диагностирования состояния ШГНУ, который позволяет проводить диагностику состояния ШПГУ непосредственно на рабочем месте.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, представленных на конференциях в г. Томске (1995 г., март 1996 г., март 1997 г.), г. Новосибирске (февраль 1996 г.), г. Омске (февраль 1995 г.), г. Таганроге (ноябрь 1994 г.), г. Иркутске (1994 г.), г. Москве (октябрь 1997 г.), г. Ульсане (1997 г.), получено 1 положительное решение по заявке на патент /79-89/.
Апробация работы. Работа велась по Региональной программе «Прогресс и регион» (1995-1997 г.г.), Всероссийской программе «Нефтяные и газовые ресурсы» (1995-1997 г.г.), по гранту 94Гр-96 «Энергетический подход к контролю и диагностике электромеханических систем» (1995-1997 г.г.). Работа была представлена на выставке «Нефть и газ» г. Уфа (1995 г.), выставке «Перспективы внедрения научно-технических достижений и новых технологий при разведке и разработке месторождений» г. Томск (1996 г.), межрегиональной семинар-выставке «Автоматизация и новые технологии» г. Новоуральск (май 1996 г.). Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы ОАО «Сургутнефтегаз».
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 1^6 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 14 таблиц. Список литературы включает 89 наименований. Приложение содержит акт о внедрении результатов диссертационной работы, справку об использовании научных исследований в диссертационной работе, краткую информацию о приборе ИРЭ-2, инструкцию по работе с программно-аппаратным комплексом, инструкцию по работе с ИРЭ-2, технические характеристики вариантов прибора для контроля и диагностирования электротехнических и электромеханических устройств и занимает 12 страниц.
Во введении показана актуальность, цель и научная новизна, а также структура работы.
В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса разработки, создания и применения систем технического диагностирования ШГНУ. В результате выявлена потребность в создании программно-аппаратных диагностических комплексах, совместимых с ПЭВМ типа ЮМ PC. При этом перспективным, в силу ряда преимуществ, является применение в качестве анализируемой информации ваттметрограмм, и, в частности, фазовых кривых. Однако, использование подобных комплексов сдерживается отсутствием достаточного количества диагностических признаков, алгоритмов «экстренной» диагностики по фазовым кривым и программ, их реализующих. При этом, реальным сдерживающим фактором проведения «детальной» диагностики вида неисправности является отсутствие достаточного количества характеристик с известным диагнозом, а пересчет из динамограммы ваттметрограммы и, следовательно, фазовой кривой - как один из вариантов решения данной проблемы - не используется вообще. Сделан анализ используемых диагностических признаков, решающих правил, с помощью которых можно проводить диагностику состояния работы ШГНУ. Сформулированы выводы по разделу и поставлена задача исследования.
Во второй главе рассмотрены этапы построения фазовых кривых, при этом, на основании изложенных требований и сравнительных характеристик, предлагаются оптимальные способы сглаживания и дифференцирования. Проведена оценка погрешностей, вносимых методами сглаживания и дифференцирования, и даны рекомендации относительно устранения возникающих погрешностей. Предложены программные способы определения периода качания станка-качалки, уравновешенности СК при помощи фазовых кривых. Проведено сравнение вычислительной эффективности этих методов. Разработаны решающие правила для проведения «экстренного» диагностирования состояния ШГНУ по классам норма/авария на основе рассмотрения каждой четверти фазовой кривой в отдельности при известной уравновешенности установки.
В третьей главе рассмотрена функциональная связь ваттметрограмм с
динамограммами, приведена аналитическая модель построения из динамограммы
ваттметрограммы и фазовой кривой. На основании теоретических и практических
- характеристик была доказана работоспособность модели. Предложен алгоритм
программного определения отсчета ВМГ, соответствующего началу хода плунжера
вверх, и мопщости холостого хода. Рассмотрены теоретические и практические динамограммы при различных видах неисправности ШГНУ и, построенные из них ваттметрограммы и фазовые кривые, выявлены качественные отличия ФК, сформулированы возможные правила для выявления количественных отличий с возможностью дальнейшего их использования в ПАК «детального» диагностирования.
В четвертой главе приводится описание разработанного программно-аппаратного комплекса, включающего в себя ранее разработанный прибор ИРЭ-2 а так же алгоритмическое и программное обеспечение (ПО) для программного комплекса обработки ваттметрограмм и фазовых кривых, реализующего предложенные математические оценки, удовлетворяющего основным требованиям, предъявляемым к ПО. Сделана оценка требуемых ресурсов памяти и ПЭВМ под размещение файлов с данными и загрузочного модуля программы обработки. Так же в главе рассматривается вариант прибора для «экстренного» диагностирования ШГНУ, разработанный на основе индустриальных компьютеров или приборов для контроля и диагностирования электротехнических и электромеханических устройств (ПКДЭ). Рассмотрены структурные схемы программно-аппаратных комплексов диагностики состояния ШГНУ (ПАК на основе прибора ИРЭ-2 и ПАК «экстренного» диагностирования), дана их сравнительная оценка. Высказаны рекомендации по созданию прибора «экстренного» диагностирования.
В заключении изложены основные выводы по научным и практическим результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
В приложении приводятся акт о внедрении результатов диссертационной работы в ОАО «Сургутнефтегаз», справка об использовании научных исследований в диссертационной работе, краткая информация об приборе ИРЭ-2, технические характеристики прибора, инструкция по работе с программным комплексом диагностирования ШГНУ, инструкция по работе с прибором для передачи массивов данных на ПЭВМ, технические характеристики вариантов прибора для контроля и диагностирования электротехнических и электромеханических устройств.
Диагностирование по признакам кривой мощности
В /И/ приведен способ диагностирования оборудования по разностной кривой (РК) ваттметрограммы. РК образуется вычитанием первого полупериода ватгметрограммы из второго полупериода без инвертирования последнего. Однако, перед построением разностной кривой и анализом ее формы проводят расчет ваттметрограммы, соответствующей уравновешенному состоянию СК, для исключения неоднозначности соответствия формы РК определенному состоянию НО, что вносит большие трудности в процесс диагностирования.
В этой же работе описаны средства первичной дихотомической диагностики, позволяющие выявить предаварийное состояние оборудования без распознавания вида неисправности. Появление сигнала о предаварийном состоянии НО позволяет своевременно провести оперативную диагностику, выявить вид неисправности, дать прогноз ее развития, назначить оптимальное время проведения ремонта. Использование ваттметрограммы в качестве исходной информации для дихотомических устройств позволяет включить в круг диагностируемых состояний неисправности наземной части насосной установки.
Все диагностируемые по ваттметрограммам виды неисправностей можно разбить на две группы (рис. 1.5): прогрессирующие неисправности (незаполнение насоса, утечки в приемном и нагнетательном клапанах и т.п.) и скачкообразные, аварийные неисправности (обрьш штанг, прихват плунжера, поломка редуктора и т.п.).
Анализ форм этих ваттметрограмм показал, что нет единого признака выявления неисправностей обеих групп. Достаточный критерий для выявления аварийных неисправностей - достижение и превышение одним из пиков ваттметрограммы заранее установленной предельной величины. Метод, основанный на анализе формы кривой, образованной вычитанием одного полупериода ваттметрограммы из другого, предпочтителен при выявлении прогрессирующих неисправностей. При дихотомической диагностике достаточно оценить площадь, описываемую разностной кривой /11/. Однако, максимальное значение мощности существенно меняется только при крупных авариях и любое изменение масштаба снятой ваттметрограммы повлечет за собой ошибки диагностирования состояния работы насосного оборудования (НО). Известен так же способ /16/, который позволяет диагностировать состояние штанговой насосной установки и базируется на использовании характерных точек перегиба ваттметрограммы, а также на сравнении максимальных значений мощности за первый и второй полупериоды качания с заданными установленными значениями. Однако, этот способ требует значения установочных предельных значений мощности для диагностирования аварийных ситуаций. Предельные значения мощности существенно меняются только при крупных авариях. Известно, что характерные точки перегиба ваттметрограммы для ряда неисправностей (обрыв штанг посередине, обрыв штанг у полированного штока, выход из строя приемного и нагнетательного клапана) совпадают. При реализации этого способа требуются специальные датчики положения, устанавливаемые на движущихся частях штанговой насосной установки для определения хода плунжера (вверх или вниз). Имеющиеся недостатки не обеспечивают удовлетворительной достоверности диагностики и требуют для реализации дополнительных материальных затрат.
Известен также способ /18/ диагностики штанговых насосных установок, включающий измерение диагностической ваттметрограммы штанговой насосной установки с уравновешенным станком-качалкой, с последующим анализом ее характеристик на основе фиксации как максимальной амплитуды, так и наличия отрицательных выбросов мощности, и сравнении ваттметрограммы с эталонной по амплитуде и фазе.
Сопоставляя ватгметрограмму с ранее снятой на данном станке, можно определить возможные ее отклонения. Отклонения того или иного участка ваттметрограммы от ранее снятой будут характеризовать те или иные неисправности в работе станка и насоса. Ордината отклонения, взятая на определенном участке в соответствующем масштабе может приближенно служить оценкой работы насоса не только в качественном, но и в количественном отношениях.
Однако, этот способ имеет ряд недостатков. Действительно, практика эксплуатации штанговых насосных установок показывает, что отрицательные выбросы мощности могут иметь место и в исправной установке, а максимальное значение мощности существенно меняется только при крупных авариях. Для решения задачи диагностики состояния ШГНУ было предложено изобретение /18/, которое позволяет повысить достоверность диагностирования штанговых насосных установок путем выявления постепенных отказов, вызванных износом оборудования. Для этого снимают диагностическую ваттметрограмму и анализируют ее параметры. Сначала снимают ваттметрограмму эталонной установки и выделяют нулевую и первую гармоники спектра ВМГ, а затем диагностируют и в качестве основного, диагностируемого параметра принимают отношение амплитуд нулевой и первой гармоник. При этом, исправной считается установка, удовлетворяющая условию контролируемой установки; С0Э,С1Э - для эталонной.
Обратим внимание на следующие недостатки такого подхода: выполнение Фурье-разложения требует значительного времени работы вычислительного устройства; метод классификации образов с помощью функций расстояния дает удовлетворительные практические результаты только в том случае, когда классы образов обнаруживают тенденцию к появлениям кластеризационных свойств (т.е. должна быть непересекаемость классов в выбранном пространстве признаков и должен быть репрезентативный для соответствующего класса образ, изменчивость которого невелика, а помехи легко поддаются учету).
В работе /19/, проведенной на кафедре АнКС ТПУ, на основании анализа ваттметрограмм, для основных режимов работы ШГНУ, установлено соответствие между частотными диапазонами спектра и состоянием составных частей ШГНУ. Для решения задачи диагностики состояния ШГНУ осуществлен выбор диагностических признаков, проведено исследование их взаимозависимости. Методом главных компонент осуществлен переход к статистически независимым признакам с одновременным значительным сжатием пространства диагностических признаков. Получены математические оценки, позволяющие количественно оценить состояние работоспособности ШГНУ. На основе вычисления минимума евклидова расстояния до центров классов, разработан алгоритм построения решающих правил для проведения альтернативной диагностики 6 состояний ШГНУ (с выдачей рекомендаций обслуживающему персоналу). Так же на кафедре АнКС ранее был разработан прибор - Измеритель-регистратор энергетических параметров (ИРЭ-2) -позволяющий записать в собственную энергонезависимую память отсчеты мощности, тока или напряжения, сохранить массивы данных и передать их в ПЭВМ типа ШМ PC AT/XT через последовательный интерфейс RS232C (краткие технические характеристики прибора ИРЭ-2 приведены в Приложении 3). Блок-схема прибора ИРЭ-2 (рис. 1.6) состоит из следующих основных элементов: датчика тока (ДТ), датчиков напряжения (ДН), модуля измерительного преобразователя электрических сигналов (ИПЭС), модуля процессора (МП), модуля индикации и клавиатуры (МИиК), управляемого нагревательного элемента (УНЭ), источника питания (ИП), модуля энергонезависимой памяти (МЭП).
Разработка решающих правил и результаты проверки их работоспособности
Задача диагностики состояния ШГНУ с помощью автоматизированной системы технического диагностирования, когда необходимо отнести тот или иной объект к одному из имеющихся известных классов состояния ШГНУ может быть решена в два этапа /24/: — находится решающая функция, которая с достаточной надежностью различает объекты, заведомо относящиеся к разным классам и образующие некоторое множество Е (обучающая выборка); - с помощью решающей функции определяется принадлежность новых объектов к тому или иному классу. При этом предполагается, что множество Е есть представительная выборка из некоторой генеральной совокупности, и, следовательно, все свойства, присущие этой совокупности, могут быть оценены на основании исследования Е (гипотеза о генеральной совокупности).
Простейший вариант системы контроля состояния ШГНУ представлен на рис. 2.11. Различные неисправности, возникающие в наземном и глубинном оборудовании ШГНУ, находят свое отражение в изменении формы ваттметрограммы, а, следовательно, и фазовой кривой (см. рис. 2.12). Как было уже сказано ранее, фазовая кривая отражает состояние системы в любой момент времени. Нами было высказано предположение, что поведение фазовой кривой в каждой четверти фазовой плоскости тоже содержит в себе информацию о работе установки. В связи с этим, для ряда практических диаграмм мощности, снятых с реальных объектов, с заранее известным диагнозом работы ШГНУ, в качестве диагностических признаков рассчитывались диагностические коэффициенты по следующим выражениям: где / - номер четверти фазовой плоскости (I, II, Ш, IV); Р(У - значение средней мощности сглаженной ВМГ ву - й момент времени; P(tj) - значение скорости изменения мощности BJ - й момент времени; Nj - количество отсчетов мощности в каждой четверти фазовой плоскости за период качания СК. Введенные диагностические признаки Kj, К.2, Кз, К4 обладают следующими свойствами: 1. Определенные через значения мощности и скорости ее изменения, данные диагностические признаки наиболее сильно характеризуют фазовую кривую. 2. Введенные коэффициенты имеют четкий физический смысл: коэффициенты К] и Кг показывают отношение суммарных расстояний от центра координат фазовой плоскости до каждой ее точки, коэффициенты Кз и К4 показывают отношение средних расстояний от центра координат фазовой плоскости до фазовой кривой.
В целом все коэффициенты показывают отношение величины средней мощности, потребляемой электродвигателем СК к величине генерируемой мощности (отрицательных значений мощности, когда установка работает в режиме генератора мощности) для каждой четверти фазовой плоскости. 3. Раздельное диагностирование по каждой четверти фазовой плоскости в отдельности позволяет оценить качество сигнала потребляемой мощности при ходе плунжера вверх и вниз. 4. Введенные диагностические признаки обладают определенной помехозащищенностью за счет сглаживания исходных практических ваттметрограмм. 5. Использование численных методов сглаживания и дифференцирования, а так же форма представления ВМГ позволяет проводить эффективную обработку данных на ЭВМ. Таким образом, введенные диагностические признаки осуществляют селективность причин изменчивости образов (ватгметрограмм, относящихся к разным классам состояния ШГНУ): - не берутся во внимание и не рассматриваются такие причины изменчивости, которые связаны с процессом измерения и шумами каналов связи; - учитывается в чистом виде только изменчивость, свойственная собственно образам (сущностная изменчивость составных частей ШГНУ).
Описанные выше выражения содержат в себе информацию о величине средней мощности, потребляемой электродвигателем установки, в каждой четверти фазовой плоскости, что является качественно новым, по сравнению с ранее рассмотренными методами. Любое изменение потребляемой мощности повлечет за собой изменение в форме фазовой кривой, а следовательно и изменение величины диагностических коэффициентов. Полученные значения диагностических коэффициентов для ряда ВМГ (при нормальной и аварийной работе ШГНУ, уравновешенном и неуравновешенном СК) занесены в таблицу 2.4. На основании данных эксперимента при анализе значений диагностических коэффициентов, приведенных в таблице 2.4, были разработаны следующие решающие правила для проведения экстренной диагностики состояния работы ШГНУ по классам норма/авария, причем, существенно новым является применение раздельной диагностики для уравновешенных и неуравновешенных установок
Определение связи между ДМГ и ФК и выявление характерных признаков различных видов неисправностей
Рассмотрим теоретические динамограммы (при различных неисправностях, описанных выше в п. 3.1), а также пересчитанные из них ваттметрограммы и фазовые кривые. Практические ваттметрограммы при различных неисправностях были взяты из имеющегося на кафедре АиКС ТПУ архива ваттметрограмм, диагноз на них был предоставлен ТТНД нефтепромыслов. Утечка в нагнетательном клапане Пропуск жидкости в нагнетательной части насоса характеризуется дополнительным перемещением устьевого штока вверх в процессе восприятия им нагрузки на величину, равную высоте объема вытекающей под плунжер жидкости /14/. Величина этого перемещения зависит от степени утечки в нагнетательном клапане, которая уменьшает в текущий момент величину потребляемой электродвигателем мощности и способствует более медленному восприятию нагрузки. Пропуск в нагнетательной части насоса может характеризоваться утечкой между плунжером и втулками или утечкой через нагнетательный клапан, а также совместным действием этих факторов. На рис. 3.7 представлены ДМГ, ВМГ и ФК при различной степени утечки в нагнетательном клапане. Из анализа диаграмм мощности следует, что утечка через нагнетательный клапан выражается сдвигом передней части кривой вправо и уменьшением амплитуды при ходе вверх. Чем больше величина утечки, тем больше сдвиг передней части и меньше амплитуда. Соответственно на фазовой кривой это отражается уменьшением радиуса всей фазовой кривой, в частности, сокращением размаха по оси мощности, и так же значительным уменьшением радиуса первого витка. На рис 3.8 представлена практическая ваттметрограмма и фазовая кривая при утечке в нагнетательном клапане насоса.
Утечка в приемном клапане При ходе плунжера вниз нагрузка от веса жидкости в трубах постепенно передается со штанг на трубы. Но, так как давление в цилиндре насоса становится больше давления погружения, то при наличии зазора в клапане возникает утечка жидкости из насоса в скважину, которая замедляет повышение давления в цилиндре насоса. В результате нагнетательный клапан открывается позже, чем при нормальной работе насоса. При ходе устьевого штока вверх утечка жидкости из цилиндра насоса ускоряет восприятие нагрузки и приемный клапан открывается скорее, чем при исправном насосе. Эта неисправность характеризуется тем, что плунжер в конце хода вниз начинает нагружаться некоторым весом от столба жидкости увеличивая нагрузку на штанги. Из анализа диаграммы мощности следует, что пропуск в приемной части насоса при ходе плунжера вверх характеризуется сдвигом начального участка диаграммы влево с частичным ее выпрямлением, а при ходе плунжера вниз начальный участок диаграммы сдвигается вправо. За счет этого первый виток фазовой кривой удлиняется по оси мощности и одновременно уменьшается по оси скорости изменения мощности, а второй виток увеличивается по оси Р за счет резкого изменения диаграммы мощности при ходе плунжера вниз. На рис. 3.10 представлены практическая ваттметрограмма и фазовая кривая при выходе из строя приемного клапана насоса. Низкая посадка плунжера насоса чаще всего получается при неправильно выбранной длине штанг. При завьппенной длине штанг плунжер раньше достигает клетки приемного клапана прежде чем шток достигнет крайнего нижнего положения, поэтому часть веса штанг передается на трубы и устьевой шток частично разгружается. При ходе штока вверх вначале происходит восстановление длины штанг и в дальнейшем восприятия штангами веса всего столба жидкости. Посадка плунжера на клетку клапана или на какую-либо другую преграду может происходить в зависимости от скорости движения плунжера и расстояния до его конечного хода по разному. В одном случае посадка плунжера идет плавно, в других случаях вызывает удары, сопровождающиеся колебательным процессом штанг. Низкая посадка плунжера уменьшает подачу насоса, вызывает расстройку муфтовых соединений в трубах и приводит к обрыву штанг. На рис. 3.11 представлены динамограмма, ваттметрограмма и фазовая кривая при низкой посадке плунжера в цилиндре насоса.
Из анализа диаграмм следует, что в начале хода штока вверх наблюдается резкое уменьшение нагрузки с переходом двигателя в генераторный режим, а в конце хода вниз, в следствие удара плунжера о нижний клапан, возникают сильные колебания штанг, которые отмечаются резкими изменениями нагрузки. При этом габаритные размеры фазовой кривой увеличиваются по оси мощности, возрастает радиус первого витка, при этом фазовая кривая заходит в отрицательную область оси мощности, а радиус второго витка оказывается существенно меньше. На рис. 3.12 представлены практические ваттметрограмма и фазовая кривая при низкой посадке плунжера.
Разработка прибора для «экстренного» диагностирования
Выше была приведена структурная схема программно-аппаратного комплекса диагностирования, включающего в себя прибор ИРЭ-2 и разработанный программный продукт (см. рис. 4.1). Его работа заключалась в том, что при помощи измерителя-регистратора энергетических параметров непосредственно на рабочем месте со скважины производился съем дискретных отсчетов тока и напряжения, потребляемых станком-качалкой во время работы; затем, по интерфейсу RS 232С эта информация в виде полученных дискретных отсчетов мощности передавалась на ПЭВМ, где с помощью программного обеспечения производилось определение состояния ШГНУ.
Однако, при всех достоинствах вышеописанного метода, в настоящее время все возрастающее значение приобретают приборы, позволяющие провести «экстренную» диагностику непосредственно на рабочем месте, без необходимости переноса информации на какое-то расстояние, тем более что в погодных условиях Севера это влечет за собой частичную потерю информации или ее искажение (во избежание этого в прибор ИРЭ-2 пришлось ввести термостатирование).
Одним из путей решения поставленной задачи является использование индустриальных компьютеров, о которых уже упоминалось в Главе 1 или приборов для контроля и диагностирования электротехнических и электромеханических устройств (ПКДЭ), характеристики которых приведены в Приложении 6.
Структура комплекса «экстренного» диагностирования при использовании ПКДЭ будет выглядеть следующим образом: j В отличие от структуры программы диагностирования ШГНУ с использованием ИРЭ-2 (см. рис. 4.2), в программный модуль ПАК «экстренного» диагностирования добавлен блок перемножения дискретных сигналов тока и напряжения, снимаемых с электродвигателя установки.
Можно отметить следующие достоинства ПАК «экстренного» диагностирования ШГНУ с использованием ПКДЭ: 1. Исчезает необходимость использования ИРЭ-2, а следовательно, используется не аналоговый перемножитель сигналов тока и напряжения, а программно оформленное перемножение дискретных значений тока и напряжения; 2. Диагностика состояния ШГНУ проводится непосредственно на рабочем месте; 3. ПКДЭ рассчитаны на эксплуатацию при различных внешних условиях, что исключит потерю информации: 4. Программная часть ПКДЭ может быть легко перепрограммирована по желанию заказчика или при возникновении каких-либо изменений в ПАК 1. С учетом сформулированных требований к качеству программного обеспечения и на основе разработанных решающих правил создан программно-аппаратный комплекс «экстренного» диагностирования состояния ШГНУ по классам (оюрма/авария» на основе прибора ИРЭ-2, позволяющий получить информацию о состоянии работы установки, уравновешенности станка-качалки, мощности холостого хода и начале хода плунжера вверх. 2. Произведена оценка требуемых ресурсов памяти для размещения программного обеспечения для ПЭВМ типа ГВМ PC. 3. Подробно рассмотрены все программы, входящие в программно-аппаратный комплекс ((экстренного» диагностирования, приведены их алгоритмы. 4. Приведены инструкции пользования программно-аппаратным комплексом. 5. На конкретных примерах характеристик, снятых с объектов нефтедобычи, рассмотрена работа программы диагностирования. 6. На основании разработанных программ для диагностики состояния ШГНУ и существующего прибора для контроля и диагностирования электротехнических и электромеханических устройств предложен вариант прибора для ((экстренного» диагностирования состояния ШГНУ непосредственно на рабочем месте.
Обобщив выводы, изложенные в отдельных главах, отметим основные результаты работы: На основании исследования характерных особенностей ваттметрограмм, полученных аналитическим путем, и ваттметрограмм, снятых объектов нефтедобычи, а также с учетом изложенных в тексте диссертации требований даны рекомендации по использованию способов сглаживания исходной ваттметрограммы и последующего дифференцирования сглаженной ваттметрограммы, необходимых для построения фазовой кривой из ваттметрограммы. Проведена оценка погрешностей, вносимых методами сглаживания и дифференцирования, и даны рекомендации по выбору интервала наблюдения исследуемых характеристик с целью устранения возникающих погрешностей. Предложен программный способ определения периода одного качания станка-качалки без использования аппаратных средств, основанный на проверке условия периодичности ваттметрограммы и скорости ее изменения (свойстве замкнутости фазовой кривой), и проведена оценка его эффективности, при этом, использование числа отсчетов снятой ваттметрограммы составило не более чем 1.1 периода качания станка-качалки. Предложен новый способ определения уравновешенности станка-качалки, заключающийся в анализе отношений амплитуд первой и второй гармоник, полученных при разложении в ряд Фурье скорости изменения мощности. Проведена экспериментальная обработка выборки ваттметрограмм, при этом, прогнозируемая точность определения уравновешенности станка-качалки составила более 90%.
